Vật lý thiên văn hạt nhân

Khi đề cập đến vật lý hạt nhân, chúng ta thường nghĩ đến những ứng dụng sử dụng năng lượng toả ra từ các phản ứng hạt nhân hay công thức E = mc² nổi tiếng. Tuy nhiên, vật lý hạt nhân còn có rất nhiều ứng dụng khác trong khoa học công nghệ (ví dụ như nghiên cứu cấu trúc vật liệu, kiểm tra không hủy mẫu) và đời sống xã hội (ví dụ như xạ trị và chẩn đoán hình ảnh trong y học, chiếu xạ trong công nghệ bảo quản thực phẩm). Bên cạnh những ứng dụng, ngành khoa học cơ bản nghiên cứu về hạt nhân nguyên tử từ lâu đã mở rộng đối tượng nghiên cứu trong nhiều lĩnh vực khoa học khác nhau. Cho đến ngày nay, trong lĩnh vực này vẫn còn những đối tượng nghiên cứu quan trọng liên quan đến hai ngành vật lý hiện đại đang rất được quan tâm như vật lý hạt cơ bản (các quá trình phân rã, tương tác trong vật lý hạt nhân liên quan đến tương tác mạnh, yếu và điện từ trong Mô hình Chuẩn) và vật lý thiên văn (sự hình thành các nguyên tố trong vũ trụ, sao neutron,...).

Trong sự tỏa sáng của các ngôi sao và quá trình hình thành các nguyên tố trong vũ trụ từ helium đến uranium thường hiện diện các phản ứng hạt nhân bắt hạt-phát gamma. Đây là một trong những đối tượng nghiên cứu quan trọng của vật lý hạt nhân trong vật lý thiên văn (nuclear physics in astrophysics) mà ngày nay đã trở thành một liên ngành thu hút rất nhiều nhân lực và tài lực trên thế giới với tên gọi vật lý hạt nhân-thiên văn (nuclear-astrophysics).

Như đã đề cập, đặc điểm phức tạp của các phản ứng bắt hạt-phát gamma trong các ngôi sao là năng lượng của các hạt bị bắt rất thấp, trong vùng vài trăm electron volt (1 electron volt là năng lượng chuyển động của một hạt electron khi được gia tốc trong một điện trường có hiệu điện thế 1 volt, ký hiệu là eV). Đối với thực nghiệm, việc nghiên cứu, mô phỏng quá trình trong các ngôi sao rất khó vì phản ứng xảy ra rất chậm do xác suất vô cùng bé. Như đã biết tuổi đời của các ngôi sao là hàng tỷ năm, cho thấy các quá trình xảy ra bên trong một ngôi sao là vô cùng chậm.

Đối với các nghiên cứu lý thuyết, vấn đề cũng rất phức tạp. Thang năng lượng của vật lý hạt nhân là từ hàng triệu eV (MeV) cho đến một vài tỷ eV (GeV) và các mô hình lý thuyết được xây dựng cho vùng này. Chính vì thế, không chỉ ở Việt Nam mà còn trên thế giới, vấn đề nghiên cứu này thường được tiếp cận bằng những mô hình lý thuyết cổ điển và đơn giản với mục tiêu cung cấp số liệu đầu vào tương đối cho vật lý thiên văn. Độ tin cậy của các tính toán như vậy tất nhiên là có những hạn chế. Điều này trái ngược với những thành tựu và nỗ lực của các nhà khoa học trong lĩnh vực vật lý hạt nhân trong việc xây dựng những mô hình lý thuyết, tính toán đáng tin cậy, độ chính xác cao trong hơn 60 năm qua (tính từ những năm 1960 khi những nghiên cứu đầu tiên về cấu trúc và phản ứng hạt nhân bắt đầu được xây dựng từ tương tác giữa các hạt cấu tạo nên hạt nhân- proton và neutron). Ngày nay những mô hình lý thuyết tính toán trong vật lý hạt nhân thường được mô tả với những thuật ngữ như từ những nguyên lý ban đầu (ab initio), đạt đến tầm nghệ thuật (state-of-the-art),.... Vì vậy, nghiên cứu các phản ứng bắt hạt-phát gamma tại năng lượng thiên văn hạt nhân với những cách tiếp cận hiện đại là hướng nghiên cứu quan trọng của nhiều nhóm vật lý hạt nhân lý thuyết và thực nghiệm trên thế giới.

Số liệu vật lý hạt nhân thiên văn đã được nhiều nhóm nghiên cứu thu thập từ các nghiên cứu thực nghiệm trong nhiều năm. Các kết quả được tổng hợp trên cơ sở dữ liệu được quản lý bởi Cơ quan Năng lượng quốc tế (IAEA) và Trung tâm Dữ liệu Quốc gia NNDC (Hoa Kỳ). Trong cơ sở dữ liệu đó, tập hợp số liệu đầu tiên về các phản ứng hạt nhân trong thiên văn được thực hiện bởi nhóm Caltech (năm 1988) [1], sau đó là nghiên cứu các phản ứng tổng hợp hạt nhân sau Big Bang (năm 2004) [2] và các phản ứng nhiệt hạch trong Mặt Trời (năm 2011) [3], và không thể không nhắc tới các công trình của nhóm NACRE [4, 5]. Tuy nhiên, các số liệu đã thu thập của phản ứng bắt hạt-phát gamma đến nay vẫn cho thấy còn có sự sai khác đáng kể. Do vậy bên cạnh các nghiên cứu thực nghiệm, các nghiên cứu lý thuyết với nhiều mô hình khác nhau đã được sử dụng để tính toán tiết diện các phản ứng tại năng lượng thấp [6, 7].

Tại Việt Nam, trong bài viết của PGS.TS. Phạm Đức Khuê về triển vọng nghiên cứu thiên văn hạt nhân sử dụng máy gia tốc Pelletron 5SDH-2 tại Trường KHTN - ĐHQG Hà Nội đã cho thấy tầm quan trọng và sự ảnh hưởng không nhỏ của việc đo tiết diện các phản ứng thiên văn hạt nhân [8]. Ngoài ra, nhóm PGS.TS. Nguyễn Quang Hưng ở Đại học Duy Tân, Đà Nẵng nghiên cứu cả lý thuyết và thực nghiệm (sử dụng số liệu từ lò phản ứng hạt nhân nghiên cứu tại Tp. Đà Lạt, tỉnh Lâm Đồng) các vấn đề quan trọng trong các nghiên cứu về cấu trúc hạt nhân, phản ứng hạt nhân nhắm đến mục tiêu là các quá trình liên quan tới vật lý hạt nhân thiên văn [9]. Tuy nhiên, các công bố quốc tế về nghiên cứu vật lý hạt nhân nói chung và thiên văn hạt nhân nói riêng tại Việt Nam rất hạn chế trong rất nhiều năm qua. Trong nước hiện nay chỉ có nhóm nghiên cứu của GS.TS. Đào Tiến Khoa tại Viện Khoa học và Kỹ Thuật Hạt nhân, Viện Năng lượng Nguyên tử Việt Nam có những công bố quốc tế uy tín về phản ứng hạt nhân.

Cuối cùng đề tài nghiên cứu có thể ứng dụng trong dạy và học môn vật lý nói chung và vật lý hạt nhân nói riêng cho chương trình đại học và sau đại học tại Việt Nam. Thực tế rất dễ nhận thấy vật lý hạt nhân tại các trường đại học ở Việt Nam trong 30 năm qua chỉ dừng lại với những kỹ thuật ghi nhận và đo đạc bức xạ hạt nhân. Các chuyên gia, các công bố quốc tế uy tín trong lĩnh vực vật lý hạt nhân của các trường đại học gần như không đáng kể. Lưu ý rằng nhóm của GS. Đào Tiến Khoa gần như tách biệt khỏi việc đào tạo, nghiên cứu của các trường đại học. Rất ít sinh viên, nghiên cứu viên có điều kiện tiếp xúc với nhóm nghiên cứu của GS. Khoa hoặc PGS. Hưng tại Đại học Duy Tân (nơi không có ngành vật lý). Phần lớn giáo trình vật lý hạt nhân hiện nay vẫn được dịch từ sách về vật lý hạt nhân của những năm 1950. Đây là vấn đề rất cần thiết và cấp bách cho một ngành nghiên cứu có nhiều ứng dụng trong đời sống nhưng đồng thời cũng là một ngành khoa học cơ bản rất sôi nổi trên thế giới. Thật sai lầm khi một cử nhân (hoặc hơn thế) chuyên ngành vật lý hạt nhân bị biến thành một kỹ thuật viên ghi đo bức xạ. Nhưng đó là thực tế đào tạo khó chối cãi ở các trường đại học có đào tạo vật lý hạt nhân ở Việt Nam hiện nay. Một giải pháp khả thi là phát triển những nhóm nghiên cứu có khả năng hợp tác với các nhóm nghiên cứu nước ngoài bên trong các trường đại học. Đề tài nghiên cứu đang đề cập là một ví dụ cụ thể.

Nguyễn Lê Anh và Bùi Minh Lộc

Tài liệu tham khảo

[1] G.R. Caughlan and W.A. Fowler (1988), “Thermonuclear reaction rates V”, Atomic Data and Nuclear Data Tables 40(2), pp. 283–334.

[2] P. Descouvemont, A. Adahchoura, C. Angulo, A. Coc, and E. Vangioni-Flamd (2004), “Compilation and R-matrix analysis of Big Bang nuclear reaction rates”, Atomic Data and Nuclear Data Tables 88(1), pp. 203–236.

[3] E.G. Adelberger et al. (2011), “Solar fusion cross sections. II. The pp chain and CNO cycles”, Reviews of Modern Physics 83, 195.

[4] C. Angulo et al. (1999), “A compilation of charged-particle induced thermonuclear reaction rates”, Nuclear Physics A 656(1), pp. 3-183.

[5] Y. Xu et al. (2013), “NACRE II: an update of the NACRE compilation of charged-particle-induced thermonuclear reaction rates for nuclei with mass number A < 16”, Nuclear Physics A 918, pp. 61-169.

[6] J.T. Huang, C.A. Bertulani, V. Guimares (2010), “Radiative capture of nucleons at astrophysical energies with single-particle states”, Atomic Data and Nuclear Data Tables 96(6), pp. 824–847.

[7] S. Dubovichenko and A. Dzhazairov-Kakhramanov (2012), “Examination of the astrophysical S-factors of the radiative proton capture on ²H, ⁶Li, ⁷Li, ¹²C and ¹³C”, International Journal of Modern Physics E 21(03), 1250039.

[8] Phạm Đức Khuê (2020), “Triển vọng nghiên cứu vật lý hạt nhân và vật lý thiên văn hạt nhân sử dụng máy gia tốc PELLETRON 5SDH-2”, Tạp chí Khoa học và Công nghệ hạt nhân 63, tr. 1-7.

[9] Nguyễn Quang Hưng, Lê Tấn Phúc và Nguyễn Ngọc Anh (2020), “Nghiên cứu lý thuyết và thực nghiệm mật độ mức và hàm lực bức xạ của hạt nhân nguyên tử tại Việt Nam”, Tạp chí Khoa học và Công nghệ hạt nhân 63, tr. 9-15.

[10] Nguyen Le Anh, Phan Nhut Huan, and Nguyen Hoang Phuc (2021), “Nuclear mean-field description of proton elastic scattering by ^12,13C at low energies”, Communications in Physics 31(1), pp. 45-56.

[11] Nguyen Le Anh, Nguyen Hoang Phuc, Dao T. Khoa, Le Hoang Chien, and Nguyen Tri Toan Phuc (2021), “Folding model approach to the elastic p+^12,13C scattering at low energies and radiative capture ^12,13C(p,γ) reactions”, Nuclear Physics A 1006, 122078.

[12] Nguyen Le Anh and Bui Minh Loc (2021), “Bound-to-continuum potential model for the (p,γ) reactions of the CNO nucleosynthesis cycle”, Physical Review C 103(3), 035812.